3. Synchronizacja częstotliwości

3.2. Synchronizacja struktur informacyjnych – synchronizacja blokowa

Dotychczas zajmowaliśmy się częstotliwością taktowania, często kojarzoną z częstotliwością nadawania bądź odbioru bitów. Oczywiście nie zawsze tak musi być. Na przykład, gdy stosowana jest modulacja QAM-16 jeden pojedynczy sygnał sinusoidalny o danej amplitudzie i fazie niesie informację czterobitową – jest to pojedynczy element, a synchronizacja w takim przypadku jest synchronizacją elementową. Synchronizacja bitowa jest zatem szczególnym przypadkiem synchronizacji elementowej. Związek między częstotliwością pracy wewnętrznego zegara urządzeniu a częstotliwością bitową czy elementową zależy od przyjętego rozwiązania.

W systemach SDH nominalna przepływność binarna sygnału STM-1 wynosi 155,52 Mb/s. Częstotliwość pracy wewnętrznego zegara SEC multipleksera SDH wynosi 19,44 MHz i 155,52 MHz. Częstotliwości te odpowiadają częstotliwości nadawania oktetów i bitów. 

Innym zagadnieniem jest synchronizacja struktur informacyjnych nazywana też synchronizacją blokową. Struktury informacyjne to zespół wielu elementów tworzące jedną całość – jeden blok informacyjny. Takim blokiem jest na przykład oktet (współcześnie często utożsamiany z bajtem, ale nie jest to poprawne), ramka, komórka bądź pakiet. Nie ma formalnych definicji takich bloków. Są one często związane z transmisją.  Zwyczajowo przyjmuje się, że ramki składają się ze ściśle określonej liczby bitów, w danym rozwiązaniu, albo danym połączeniu zawsze takiej samej, są nadawane na styk, jedna po drugiej, bez przerw miedzy nimi  (rysunek 4.8) . 


Rys. 4.8. Różnica między ramkami, komórkami i pakietami
 

Ramka E1 systemu PDH składa się z 256 bitów tworzących 32 ośmiobitowe szczeliny kanałowe. Nominalny czas trwania ramki jest określony i wynosi 125 μs. Na sekundę nadawanych jest nominalnie 8000 ramek, co oznacza, że nominalna przepływność binarna strumienia E1 wynosi 2,048 Mb/s.
Ramka STM-16 systemu SDH trwa tyle samo i tyle samo ramek jest nadawanych na sekundę, jak w przypadku sygnałów E1, ale liczba ośmiobitowych szczelin kanałowych wynosi 31104. Przepływność binarna sygnału STM-1 wynosi 2,448832 Gb/s.
Ramki ethernetowe trwają 512 ns (1000Base-T) do 51,2 μs (10Base-T).

Pojęcie komórki jest związane z techniką ATM. Komórki składają się zawsze z takiej samej liczby oktetów są nadawane, tak jak ramki, na styk, ale kolejne komórki transmitowane tym samym łączem nie muszą zawierać informacji pochodzących z tych samych źródeł.

Komórki standardu ATM, który miał szerokie zastosowanie w latach 90. składały się zawsze z 53 oktetów. Czas trwania komórek jest zależny od łącza transmisyjnego pomiędzy przełącznikami ATM. W przypadku transmisji SDH STM-1 wynosi on około 2,7 μs.

Cechą charakterystyczną pakietów jest nie tylko zróżnicowanie ich długości (liczby bitów z których się składają), czasu trwania, ale także asynchroniczności ich transmitowania. Pakiety mogą być nadawane z przerwami i mogą mieć różny czas trwania.
Synchronizacja struktur informacyjnych, nazywana też ich fazowaniem może opierać się na wstawieniu do przesyłanego bloku informacji, tak zwanego wzoru fazowania, albo na statystycznej analizie odbieranej informacji. To drugie rozwiązanie jest niepraktyczne, choćby z powodu wprowadzania znacznego opóźniania i dlatego dalej będzie mowa wyłącznie o fazowaniu na podstawie wzoru.

W sieciach IP v.4 pakiety (nazywane też datagramami) muszą się składać z całkowitej liczby oktetów, których liczba nie może przekraczać 65535. Minimalny rozmiar pakietu to 20 oktetów.

 Idea algorytmów fazowania sprowadza się do wyszukiwania w odebranej sekwencji bitów wzoru fazowania i na tej podstawie określania początku i końca struktury informacyjnej. Bity wzoru fazowania w zależności od przyjętego rozwiązania mogą być:

  • dodawane do przesyłanego bloku informacji, albo stanowić jego część,
  • sekwencją następujących po sobie bitów (skupiony wzór fazowania), ale mogą też być rozproszone w przesyłanym bloku (rozproszony wzór fazowania),
  • niezależne od przesyłanych informacji (zawsze takie same), albo zmieniać się w zależności od przesyłanej informacji. 

Oprócz tego istotna jest długość wzoru fazowania (liczba bitów) oraz jego struktura binarna. Algorytmy synchronizowania struktur informacyjnych działają w sposób następujący:
1.    Jeżeli odbiornik „wie”, który bit jest pierwszym bitem bloku i zna jego długość, to uznaje się, że blok jest zsynchronizowany. W następnym odebranym bloku sprawdzana jest obecność wzoru fazowania w miejscu, w którym on powinien być. Uznaje się, że synchronizacja jest zachowana, jeżeli we właściwym miejscu wszystkie bity są identyczne jak wzór fazowania (zerowa odległość Hamminga), albo dopuszcza się pewną rozbieżność – niezgodność niektórych bitów (niezerowa odległość Hamminga). 
2.    Jeżeli wzoru we właściwym miejscu nie ma, to algorytm przechodzi do, tak zwanego pierwszego stanu przed alarmowego. Niekoniecznie oznacza to, że synchronizacja została zgubiona. Brak wzoru może wynikać z przekłamań w czasie transmisji i dlatego w tym stanie algorytm czeka na kolejny blok ze wzorem fazowania, uznając poprzednie zsynchronizowanie za obowiązujące. Jeżeli tym razem wzór jest obecny to następuje powrót do stanu opisanego w punkcie 1. W przeciwnym razie algorytm wchodzi w drugi stan przed alarmowy i sytuacja się powtarza. Po kilku kolejnych nieodebraniach wzoru fazowania następuje przejście do stanu braku synchronizacji.
3.    W stanie braku synchronizacji blokowej zapominana jest historia i rozpoczyna się przeszukiwanie kolejno odbieranych bitów pod katem ich zgodności ze wzorem fazowania. Ponieważ sekwencje wzoru fazowania nie są zastrzeżone i w przesyłanym bloku, na przykład sekwencja danych może być taka sama jak wzór fazowania, znalezienie sekwencji identycznej jak wzór fazowania nie jest wystarczające by uznać to za podstawę synchronizacji i dlatego algorytm wchodzi w stan potwierdzania, że znaleziona sekwencja to, rzeczywiście wzór fazowania. 
4.    Jeżeli w pierwszym stanie potwierdzania w tym samym co wcześniej miejscu wzoru nie będzie to algorytm powraca do stanu braku synchronizacji przeszukiwania odbieranych bitów. Z kolei znalezienie sekwencji zgodnej ze wzorem fazowania też nie musi być wystarczające by zakończyć proces odzyskiwania synchronizacji. Może bowiem tak się zdarzyć, że fałszywa sekwencja identyczna jak wzór fazowania kilkukrotnie pojawia się w tym samym miejscu.  Liczba stanów przed alarmowych jest określona dla każdego algorytmu, po przejściu których uznaje się, że synchronizacja została odzyskana.
Liczba stanów przed alarmowych i liczba stanów potwierdzania dla każdego algorytmu jest określona i zależy od jego zastosowania. Tak samo liczba bitów wzoru fazowania, jego struktura i dopuszczalna odległość Hamminga.

Rys. 4.9. Algorytm fazowania ramek

 

W systemach PDH E1 w algorytmie fazowania ranki liczba stanów przed alarmowych wynosi najczęściej od 3 do 5, a liczba stanów potwierdzania wynosi od 1 do 3. Wymagana jest całkowita zgodność sekwencji z przyjętym wzorek fazowania – zerowa odległość Hamminga. Inny wzór fazowania obowiązuje w stanie synchronizacji ramki i stanach przed alarmowych – jest to jeden bit zmieniający wartość logiczną z ramki na ramkę (z 0 na 1). Sprawdzanie pojedynczego bitu W stanie braku synchronizacji szuka się siedmiobitowego wzoru – sekwencji 0011011, Wzór siedmiobitowy wstawiany jest w co drugiej ramce. Jakość transmisji – bitowa stopa błędów w sieciach PDH jest stosunkowo duża. Przyjmuje się, że sieci takie spełniają wymagania jeżeli wynosi ona 10-5. Im dłuższy jest wzór fazowania tym większe prawdopodobieństwo przekłamania jego bitów i dlatego, by bez potrzeby nie uznawać, że synchronizacja ramek została utracona sprawdza się tylko poprawność odbioru tylko jednego bitu. Natomiast, gdy poszukiwany jest wzór fazowania opieranie się na jednym bicie znacznie wydłużało by dochodzenie do stanu synchronizmu, a nawet mogłoby prowadzić do fałszywej synchronizacji ramek. Prawdopodobieństwo, że w n kolejnych stanach potwierdzania będzie odbierany bit o właściwej wartości logicznej wynosi 2-n i jest bardzo duże (dla n=3 wynosi ono 0,125). Wybór siedmiobitowej sekwencji wzoru fazowania też nie jest przypadkowy. Po pierwsze taka sekwencja mieści się w jednej szczelinie kanałowej ramki E1, a sześć pierwszych bitów wzoru z dowolnym bitem je poprzedzającym nie tworzy sekwencji identycznej jak wzór fazowania. Dotyczy to sześciu ostatnich bitów i bitu po nich następującego. Dzięki temu odszukanie poprawnego wzoru fazowania jest szybsze.
W systemach SDH STM-1 zastosowano aż 48-bitowy wzór fazowania, zachowując, tak jak w systemach PDH zerową odległość Hamminga. Wzór ten jest umieszczany na początku każdej ramki STM-1 i jest to następujaca sekwencja bitów zapisana w kodzie szesnastkowym F6 F6 F6 28 28 28. W stanie synchronizmu i w stanach przed alarmowych sprawdzana jest każdorazowo jego obecność. Użycie tak długiego wzoru fazowania i zerowej odległości Hamminga jest możliwe tylko w sytuacji, gdy błędy transmisyjne są bardzo małe, a w sieciach SDH bitowa stopa błędów BER rzadko jest większa od 10-10. Jeżeli z jakiś powodów jakość transmisji w sieciach SDH jest znacząco gorsza to w fazie konfigurowania urządzeń można oprzeć algorytm fazowania na krótszym wzorze, na przykład ośmiobitowym.
W sieciach OTH w węzłach brzegowych tych sieci synchronizacja blokowa musi być przeprowadzana. W ramkach optycznej jednostki transportowej OTU wstawiany jest ośmiooktetowy wzór fazowania ramki. Ma on dokładnie taką samą postać jak wzór używany w sieciach SDH do synchronizacji ramek STM. Identyczny jest też algorytm fazowania.
Synchronizacja komórek ATM opiera się na zmiennym wzorze fazowania. Jest to wzór czterobitowy umieszczony w nagłówku komórki. Wzór ten stanowi resztę cyklicznego kodu nadmiarowego CRC-4 obliczanego dla pozostałych bitów nagłówka. Ponieważ informacje w nagłówku są różne i zmienne, również i reszta kodu CRC-4 wstawiana do nagłówka może się zmieniać. Sam jednak algorytm fazowania komórek jest nie różni się w istotny sposób od opisanego w punktach 1-4.
Algorytm synchronizacji ramek Ethernet przesyłanych w sieciach LAN także opiera się na wzorze fazowania i w istotny sposób nie odbiega od wcześniej opisanego. Tak jak w przypadku komórek ATM wzór fazowania nie znajduje się na początku ramki, lecz jest umieszczony po 16-bitowej sekwencji naprzemiennej  zer i jedynek (0101010…), która jest używana do synchronizacji zegarów taktujących. Sam wzór fazowania to sekwencja 10101011.  

Oprócz synchronizacji na podstawie wzoru fazowania możliwa jest i zastosowanie synchronizacji blokowej przeprowadzanej w inny sposób. Najczęściej jest to synchronizacja wewnętrznych struktur informacyjnych będących elementem struktur synchronizowanych z wykorzystaniem wzoru fazowania.